LNG 接收站輕載線路功率因素低原因計算分析和應(yīng)對措施

陳鋒云，金安福，司倡如

(1.浙江浙能溫州液化天然氣有限公司，浙江 溫州 325700；2. 中石化北海液化天然氣有限責任公司，廣西 北海 536000)

廣西北海LNG 接收站設(shè)計總用電負荷約為22MW（考慮到遠期規(guī)劃），但是，由于LNG 接收站下游管道限制，2017和2018 年度天然氣外輸系統(tǒng)未投運，用電負荷約為3MW，高壓輸電線路長期處于輕載運行，此時，線路充電功率大于線路消耗無功，輸電線路呈容性，對側(cè)變電站側(cè)貿(mào)易結(jié)算點功率因素低至0.65，每月須額外支付力調(diào)電費。對于輕載線路分布電容對功率因素的影響，前人已經(jīng)做了較多分析，在此基礎(chǔ)上，筆者通過對LNG 接收站的案例的分析，提出兩種措施，有針對性地解決負荷變化大的大用戶在線路輕載時功率因素低的問題。

1 案例分析

1.1 問題的提出

北海LNG 接收站是我國西南地區(qū)第一個LNG 接收站項目，其正常運營能夠有效保證整個西南地區(qū)天然氣供應(yīng)安全。所帶負荷對供電可靠性要求較高，采用了雙電源供電，北海LNG 接收站總變接線圖如圖1 所示。

圖1 總變一次接線圖

正常運行方式下為1#鐵山進線供電，2#鐵荔線處于充電狀態(tài)，110kV 母線分段開關(guān)處于合閘狀態(tài)。6kV 母線分段開關(guān)處于分閘狀態(tài)，每條6kV 母線下配置兩組并聯(lián)電容器成套無功補償裝置。

設(shè)計院在計算無功補償容量的時候，參考《供配電設(shè)計手冊》按照統(tǒng)計法分別計算出實際最大負荷10MW 時所需要的補償容量為4000kvar，2 臺主變的無功損耗1800kvar，取4 套并聯(lián)電容器的無功補償容量為4000kvar，且4 套可分批次投入。可以完全實現(xiàn)站內(nèi)功率因素滿足《全國供用電規(guī)則》要求的高壓供電的工業(yè)用戶功率因素不小于0.9的要求。

當外輸系統(tǒng)未投運時，站內(nèi)關(guān)口電度表實際有功功率約為3000kW，功率因素也在0.9 以上。但是，貿(mào)易計量點為變電站側(cè)關(guān)口電度表，其顯示當月功率因素為0.65，故而產(chǎn)生力調(diào)電費。實則是因為北海LNG 接收站長達37km 的線路產(chǎn)生的容性無功大于LNG 接收站所消耗的感性無功，使得整個線路與接收站呈容性，且此數(shù)值不小的容性無功在變電站與接收站之間傳輸，而關(guān)口電度表又設(shè)在變電站側(cè)，從而導(dǎo)致功率因素低至0.65。下面我們就從無功補償?shù)脑砗投喙δ茈娔鼙淼臒o功計量方式來分析其原因。

1.2 線路和接收站總無功計算

北海LNG 接收站正常運行時由1#鐵山進線供電，其導(dǎo)線采用JL/G1A-300/40 型鋅-5%鋁-稀土合金鍍層鋼芯稀土鋁絞線，地線采用兩根16 芯OPGW 復(fù)合地線，敷設(shè)約32km至引堤然后電纜溝內(nèi)平面敷設(shè)ZR-YJLW03-64/110 500mm2單芯銅芯電力電纜約5.2km。

（1）架空線路充電功率計算。有架空低吸納的架空線路的電容電流可按手冊估算：

充電功率按下式計算：

（2）電纜充電功率計算。查電纜廠家所提供數(shù)據(jù)，電纜平面敷設(shè)時，其充電電流為3.3A/km，故充電功率按下式計算：

（3）接收站消耗無功。接收站消耗無功為2 臺變壓器損耗無功QT和負荷消耗無功Qe之和，依據(jù)手冊

其中，主變空載電流百分數(shù)I0%=0.8， 短路電壓Uk%=12， 接收站無外輸時有功功率約為3000kW,S ≈3300KVA，計算得QT≈250kvar。

而站內(nèi)3000kW 的負荷所消耗的感性無功Qe≈1400kvar。

由上可知，若貿(mào)易結(jié)算點電能表在變電站側(cè)，在忽略線損的情況下

其為容性，我們習慣用負號來表示以區(qū)分于感性無功，此線路變電站側(cè)功率因素約為0.64，計算結(jié)果與電能表統(tǒng)計顯示相近。

1.3 線路容性無功對多功能電能表的無功計量影響

劉海燕針對多功能電能表的無功計量方式作了深度解讀。LNG 接收站為純用電客戶，基本上不會向系統(tǒng)發(fā)出有功功率，當“消耗”感性無功時計量于I 象限，當“發(fā)出”容性無功時計量于IV 象限，如圖2 所示。

圖2 電子式電能表無功計量四象限

而變電站側(cè)的電能表的無功計量設(shè)置為：

正向無功電量：消耗有功功率時，其值為I 象限感性無功+IV 象限容性無功（取的是無功計量絕對值的和）。

反向無功電量：發(fā)出有功功率時，其值為II 象限感性無功+III 象限容性無功（取的是無功計量絕對值的和）。

綜上所述，變電站側(cè)所供給LNG 接收站的專線的電能表其反向無功計量為0，正向無功不論是欠補償“消耗”感性無功，還是過補償“發(fā)出”容性無功，都會取其絕對值算在無功計量中。結(jié)合北海LNG 接收站的實際負荷情況，因線路充電功率較大此用戶一直處于過補償狀態(tài)，計量于變電站側(cè)電能表IV 象限。

2 解決措施

2.1 采用SVG 進行無功補償

北海LNG 接收站用SVG 無功補償裝置代替了并聯(lián)電容器，控制系統(tǒng)采集母線500kV 母線電壓和線路電流，利用瞬時無功補償理論，快速計算出各功率單元的電流指令，并通過光纖傳給各功率單元。功率柜每相由若干個功率單元串聯(lián)，采用移相載波技術(shù)，各單元的輸出電壓疊加，形成多電平高壓輸出，通過電抗器連接到電網(wǎng)，輸出可控的無功電流（圖3）。

SVG 正常工作時候就是通過IGBT 的通斷將由二極管整流成的直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換至交流側(cè)與電網(wǎng)同頻率的電壓，類似于電壓型逆變器。考慮變流器和電抗器的損耗，并用電阻表示總損耗。SVG 的單相等效電路如下圖4a，其電流超前電壓和電流滯后電壓的工作向量圖如圖4b 和4c 所示。

分析圖4c 所示的SVG 吸收滯后電流的工作狀況，SVG 相當于交流電壓源，通過控制逆變器交流測電壓幅值和相位來間接控制SVG 的交流測電流。從圖中系統(tǒng)電壓、逆變器交流側(cè)電壓和電抗器兩端電壓構(gòu)成的三角形關(guān)系，可以得到如下等式：

圖3 電壓型橋式電路SVG

圖4

由此公式推導(dǎo)，靜止無功補償裝置吸收的有功和無功電流有效值分別為為

由此可看出，可以通過功角δ 來控制SVG 的無功電流。當滯后于，功角δ為負，IQ為負，SVG從系統(tǒng)吸收容性無功；當超前于，功角δ 為正，IQ為正，SVG從系統(tǒng)吸收感性無功。

因此，通過SVG 從系統(tǒng)吸收感性無功可以有效地解決北海LNG 接收站線路過長導(dǎo)致功率因素貿(mào)易結(jié)算點后容性無功過剩的問題。但是，北海LNG 接收站功率因素貿(mào)易結(jié)算點后在變電站側(cè)，其并無采樣對側(cè)的電壓和電流，故無法瞬時補償無功，只能通過電話聯(lián)系對側(cè)詢問無功缺額而進行手動設(shè)置SVG 補償。

2.2 將功率因素貿(mào)易結(jié)算點放在供電側(cè)

按照張建華的建議，應(yīng)通過與供電局協(xié)商采用另外計算線損費用的方式將無功計量點由變電站側(cè)移至接收站側(cè)，而北海LNG 接收站通過多方努力最終也實現(xiàn)了。

3 結(jié)語

LNG 接收站長線路輕載運行，由充電功率造成的容性無功與系統(tǒng)間的傳輸而致使功率因素低。為解決此問題，可以通過SVG 進行瞬時補償，若貿(mào)易結(jié)算點依然在變電站側(cè)，可以將線路充電功率和實時感性無功損耗放在SVG 的邏輯運算中，通過綜合計算進行補償。措施二，將無功計量點由變電站側(cè)移至接收站側(cè)。